一种考古磁梯度矢量探测系统与方法与流程

本发明涉及一种应用于考古领域的磁梯度探测系统及方法，属于物探化新仪器技术领域。

背景技术：

磁法考古是近几年磁法探测发展的一个新的应用领域，通过观测和分析由探测区域磁性差异所引起的磁异常，进而研究探测目标埋藏特点和分布规律的一种地球物理探测方法。在考古工作中的应用包括：①确定探测目标的具体位置，考古工作中，探测目标的具体位置通常是很难确定的，传统方法是采用洛阳铲进行人工钻孔探测，但洛阳铲钻孔探测不仅探测效率低而且对探测目标具有破坏性，尤其是在西部干旱地区，地域较广，采用传统的洛阳铲钻孔探测工作量是巨大的。②确定探测目标的范围和分布规律，考古工作中，工作人员通常通过对历史文献、古地图和老航片等资料的分析得出探测目标的大致范围和分布规律，这样得出的结果不仅耗费时间长而且准确度较低。③确定探测目标的埋藏深度，探测目标的埋藏深度通常是工作人员根据经验估算出来的，而地面磁测通过数据的正演反演能够较精确的计算出探测目标的埋藏深度。磁法勘探还可用于研究深部地质构造，估算居里点深度以研究地热和进行地震蕴震层分析及地震预报的研究。在找矿工作中，确定钻探孔位并指导钻探工作的进行，还可应用于寻找地下金属管道等工作。

现有考古探测工作操作复杂、工作成本高、效率低、智能化集成程度低。

技术实现要素：

本发明针对现有考古探测工作操作复杂、工作成本高、效率低、智能化集成程度低的缺点，提出了一种以无磁小车作为平台的考古磁测系统，能有效降低考古工作成本，提高磁测数据质量，适合于大面积考古测量工作的应用。

本发明是通过下述技术方案实现的。

一种考古磁梯度矢量探测系统，包括主机、无磁小车和传感器系统；主机包括主控板、通讯装置和数据收录仪；传感器系统包括用于无磁小车位置、气压、温度的测量和磁场值的测量的传感器；用于无磁小车位置测量的传感器包括gps、和高度计；gps获取的数据用于后期数据磁补偿和磁异常定位，发现磁异常后根据该gps数据进行定位；高度计获取的数据主要用于后期数据磁补偿；气压计、温度计分别测量无磁小车当前位置的气压值和温度值；用于磁场值测量的传感器为磁通门梯度磁力仪，多路磁通门梯度磁力仪安装于无磁小车最前端的磁梯度仪探杆(1)上，远离主机和通讯设备以减小来自车体的各类磁干扰；无磁小车前端有四根间距可调垂直于地面的磁梯度仪探杆(1)，每根磁梯度仪探杆(1)上安装高度不同的两个磁通门探头，每根杆上的两个磁通门探头组成一个磁通门梯度磁力仪，两个高度不同的磁通门探头采集磁梯度数据后，不同高度的探头采集的数据相减而得梯度数据，数据采集仪采集的磁数据与每根杆上的两个磁通门数据一一对应，四根磁梯度仪探杆将同时采集四组磁通门梯度仪数据。

所述的考古磁梯度矢量探测系统，所述无磁小车包括磁梯度仪探杆(1)、前端横梁(2)、斜撑(3)、辐条式无磁车轮(4)、三脚架悬挂(5)、台架(6)、扶手(7)；辐条式无磁车轮(4)一共两个，与车轮横梁(13)两端的轮毂(10)通过螺栓可拆卸固定连接；三脚架悬挂(5)为采用铝合金型材可拆卸连接而成的等腰三角形支架，等腰三角形支架顶角可拆卸连接在车轮横梁(13)上，等腰三角形支架的底边的两端可拆卸连接在台架(6)上，台架(6)的前部可拆卸设置前端横梁(2)，前端横梁(2)可拆卸垂直连接磁梯度仪探杆支撑杆(12)的一端，磁梯度仪探杆支撑杆(12)的另一端连接抱箍，磁梯度仪探杆(1)通过抱箍可拆卸连接在磁梯度仪探杆支撑杆(12)，磁磁梯度仪探杆(1)与地面保持垂直；台架(6)后部连接扶手(7)，由使用者操纵扶手控制该小车移动方向；扶手上靠近使用者一端连接有显示仪(8)供使用者实时掌握有关探测信息；台架(6)上可拆卸连接主机箱(9)，内部放置主机；共设置四个磁梯度仪探杆(1)，各个磁梯度仪探杆(1)之间相互平行。上述等腰三角形支架的腰和底边，腰和高、高和底边的无磁型材均通过斜角连接件(11)可拆卸连接；前端横梁(2)与台架(6)之间可拆卸连接有斜撑(3)，以保证前端横梁(2)的强度和整体结构的牢固；前端横梁(2)、斜撑(3)、辐条式无磁车轮(4)、三脚架悬挂(5)、台架(6)、扶手(7)、主机箱(9)、轮毂(10)、磁梯度仪探杆支撑杆(12)、车轮横梁(13)均为无磁型材制作，该无磁型材的截面为矩形截面，各边均有固定槽，方便无磁型材之间各种角度的连接。

所述的考古磁梯度矢量探测系统，主机安装于无磁小车的主机箱(9)内，主机主控板的串口连接磁通门梯度磁力仪，通过数据收录仪记录磁数据；通过串口连接气压计、高度计、gps、温度计，通过数据收录仪记录各传感器的数据，并实时传递数据至主机显示屏进行实时显示，主控板同时提供时标信号，使各传感器工作和记录的时间一致。

所述的考古磁梯度矢量探测系统，主机、数据采集系统和传感器等部件为非铁磁性材料制作，同时其在安装过程中也不能采用铁磁性材料，以减小车体受地磁场磁化所产生的感应类磁干扰；车载各个模块间也不能采用大量的导线类导电材料，以减小测量过程中切割地磁场所产生的涡流类磁干扰。

所述的考古磁梯度矢量探测系统，主机实现以下功能：一、检查磁测系统是否正常，包括电源电量检查、磁通门梯度传感器和通讯状态检查；二、在测量工作开始前，在主机上对测量参数进行设置，包括采样频率、磁数据采集范围和采样模式等参数设置；三、测量工作进行中，对测量状态实时监控，由通讯装置将获取的磁测量状态实时传递给主机，主机将测量实时状态进行显示，如果系统某个状态处于非正常工作状态，可以及时停止测量，避免无效测量和错误测量。

根据任一所述考古磁梯度矢量探测系统进行考古磁梯度矢量探测的方法，包括以下步骤：

第一步：将主机以及车载传感器装于无磁小车上；

第二步：将装有磁测设备的低磁小车放于待测区域的起始点，打开电源，启动主机控制软件，观察电源模块是否工作正常；

第三步：将主机控制软件切换到数据显示界面，观察主机与各传感器之间是否能够正常通信，然后移动小车观察各传感器的数据变化是否与无磁小车实际动作相符；

第四步：由工作人员推动小车保持匀速前进，直到测量完整个测量区域为止，可以断开电源；

第五步：将测量数据从主机的存储卡中读出，并导入相关软件aeromag中进行处理；

第七步：在aeromag中首先对航磁异常数据进行预处理，包括正常的校正场改正外日变改正、温度改正、零点改正、正常梯度改正、基点改正；

第八步：数据预处理后，在aeromag中对磁异常数据进行处理，包括向上延拓，其主要作用为压制浅层干扰，突出深部趋势；垂向导数，其主要作用为突出浅层场源信息；化磁极，其主要作用为消除斜磁化影响，简化磁场形态。

所述的方法，还可以利用频率域对磁异常数据进行相应的处理与转换，最终将图形进行三维显示。

本装置操作简单、工作成本低、效率高、智能化集成程度高，能有效降低考古工作成本，提高磁测数据质量，适合于大面积考古测量工作的应用。

附图说明

图1为本发明无磁小车梯度仪系统示意图；1磁梯度仪探杆，2前端横梁，3斜撑，4辐条式无磁车轮，5三脚架悬挂，6台架，7扶手，8显示仪，9主机箱，10轮毂，11斜角连接件，12磁梯度仪探杆支撑杆，13车轮横梁；

图2为两组磁梯度数据图，实心线为其中一根杆的磁梯度数据图、点线为另外一根杆的磁梯度数据图；

图3为新疆轮台古城磁梯度等值线图；

图4为图3中直线的磁梯度值图；

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

考古磁梯度矢量探测系统包括主机、无磁小车和传感器系统。

主机包括主控板、通讯装置和数据收录仪。主机采用高稳定性的嵌入式系统，其体积和重量应尽量小而轻。主控板提供时标信号，使各传感器工作和记录的时间一致；主控板与通讯装置相连，输出分别连接至数据收录仪和传感器系统。

传感器系统包括用于无磁小车位置、气压、温度的测量和磁场值的测量的传感器。用于无磁小车位置测量的传感器包括gps、和高度计；gps获取的数据用于后期数据磁补偿和磁异常定位，即发现磁异常后需要根据gps数据进行定位。高度计获取的数据主要用于后期数据磁补偿；气压计、温度计分别测量无磁小车当前位置的气压值和温度值，用于磁场值测量的传感器为磁通门梯度磁力仪。

无磁小车是整个磁测系统的安装平台，参考图1，包括磁梯度仪探杆1、前端横梁2、斜撑3、辐条式无磁车轮4、三脚架悬挂5、台架6、扶手7；辐条式无磁车轮4一共两个，与车轮横梁13两端的轮毂10通过螺栓可拆卸固定连接；三脚架悬挂5为采用铝合金型材可拆卸连接而成的等腰三角形支架，等腰三角形支架顶角可拆卸连接在车轮横梁13上，等腰三角形支架的底边的两端可拆卸连接在台架6上，台架6的前部可拆卸设置前端横梁2，前端横梁2可拆卸垂直连接磁梯度仪探杆支撑杆12的一端，磁梯度仪探杆支撑杆12的另一端连接抱箍，磁梯度仪探杆1通过抱箍可拆卸连接在磁梯度仪探杆支撑杆12，磁磁梯度仪探杆1与地面保持垂直；台架6后部连接扶手7，由使用者操纵扶手控制该小车移动方向；扶手上靠近使用者一端连接有显示仪8供使用者实时掌握有关探测信息；台架6上可拆卸连接主机箱9，内部放置主机；共设置四个磁梯度仪探杆1，各个磁梯度仪探杆1之间相互平行。上述等腰三角形支架的腰和底边，腰和高、高和底边的无磁型材均通过斜角连接件11可拆卸连接。前端横梁2与台架6之间可拆卸连接有斜撑3，以保证前端横梁2的强度和整体结构的牢固。上述可拆卸连接均可以通过型材连接件进行连接，型材连接件可以将型材通过各种角度可拆卸连接在一起，在此不再赘述。

前端横梁2，斜撑3，辐条式无磁车轮4，三脚架悬挂5，台架6，扶手7，主机箱9，轮毂10，磁梯度仪探杆支撑杆12，车轮横梁13均为无磁型材制作，该无磁型材的截面为矩形截面，各边均有固定槽，方便无磁型材之间各种角度的连接。

多路磁通门梯度磁力仪安装于无磁小车最前端的磁梯度仪探杆1上，远离主机和通讯设备以减小来自车体的各类磁干扰。无磁小车前端有四根间距可调垂直于地面的磁梯度仪探杆1，每根磁梯度仪探杆1上安装两个磁通门探头，每根杆上的两个磁通门探头组成一个磁通门梯度磁力仪，数据采集仪采集的磁数据必须与每根杆上的两个磁通门数据一一相对应的，四根杆将同时采集四组磁通门梯度仪数据。

主机安装于无磁小车的主机箱9内，便于操作，确保测量安全。主机主控板的串口连接磁通门梯度磁力仪，通过数据收录仪记录磁数据；通过串口连接气压计、高度计、gps、温度计，通过数据收录仪记录各传感器的数据，并实时传递数据至主机显示屏进行实时显示，主控板同时提供时标信号，使各传感器工作和记录的时间一致。

主机、数据采集系统和传感器等部件为非铁磁性材料制作，同时其在安装过程中也不能采用铁磁性材料，以减小车体受地磁场磁化所产生的感应类磁干扰；同时，车载各个模块间也不能采用大量的导线类导电材料，以减小测量过程中切割地磁场所产生的涡流类磁干扰。

主机主要实现两类功能：一、检查磁测系统是否正常，包括电源电量检查、磁通门梯度传感器和通讯状态检查等等。二、在测量工作开始前，在主机上对测量参数进行设置，包括采样频率、磁数据采集范围和采样模式等参数设置。三、测量工作进行中，对测量状态实时监控，由通讯装置将获取的磁测量状态实时传递给主机，主机将测量实时状态进行显示，如果系统某个状态处于非正常工作状态，可以及时停止测量，避免无效测量和错误测量。

本发明主要以磁通门梯度磁力仪作为测量地磁场的核心磁传感器，并将配套的数据收录仪、通讯装置以及主控板等部分集成为系统的主机部分，配备大容量电池模块及其他传感器组成适用于无磁小车的考古磁测系统。

无磁小车选择重量轻、强度大、对磁测设备影响小的低磁材料(玻璃纤维和其他复合材料)进行小车的制作，车体空间需满足各种车载设备的安装要求。

主机集成了通讯装置、数据收录仪和主控板三个主要部分，安装于无磁小车车体主机箱内，并与多路电源模块进行配重，保证无磁小车行进的稳定性。主机采用嵌入系统，以32位微处理器arm为核心设计。通过i/o接口连接并控制磁通门探头工作，获取每个磁通门探头的数据，采用多路同步测量实现磁梯度测量，提高数据精度。通过可扩展接口，获取gps、高度、温度、气压等数据，并由数据收录仪将所有数据同步储存。

其中，磁通门探头可实现对地磁矢量场的测量，其精度为1nt。磁通门探头安装于无磁小车的前端垂直杆上，每根杆上安装两个高度不同的磁通门探头，这两个探头组成一个磁通门梯度仪，这两个高度不同的磁通门探头采集磁梯度数据后，不同高度的探头采集的数据相减而得梯度数据。这种安装方式使得磁探头均远离无磁小车本体，减小了来自无磁小车的磁干扰，提高了磁测数据的质量。

主机部分的核心是一台主控计算机，可实现对磁测过程中参数的设置，实时反馈测量中磁测设备和电源的工作状态，实时获取测量数据。测量结束后可对测量数据进行简单处理，对数据进行质量控制。

第一步：将主机以及车载传感器装于无磁小车上，具体位置见图1；

第二步：将装有磁测设备的低磁小车放于待测区域的起始点，打开电源，启动主机控制软件，观察电源模块是否工作正常；

第三步：将主机控制软件切换到数据显示界面，观察主机与各传感器之间是否能够正常通信，然后移动小车观察各传感器的数据变化是否与无磁小车实际动作相符；

第四步：由工作人员推动小车尽量保持匀速前进，直到测量完整个测量区域为止，可以断开电源；

第五步：将测量数据从主机的存储卡中读出，并导入相关专业软件(aeromag)中进行处理；

第七步：在aeromag中首先对航磁异常数据进行预处理，包括正常的校正场改正外日变改正、温度改正、零点改正、正常梯度改正、基点改正；

第八步：数据预处理后，在aeromag中对磁异常数据进行处理，包括向上延拓，其主要作用为压制浅层干扰，突出深部趋势；垂向导数，其主要作用为突出浅层场源信息；化磁极，其主要作用为消除斜磁化影响，简化磁场形态。另外还可以利用频率域对磁异常数据进行相应的处理与转换，最终将图形进行三维显示。

如图2为两组磁梯度数据图，实心线为其中一根杆的磁梯度数据图、点线为另外一根杆的磁梯度数据图；能够看出两条梯度数据图基本一致，图中波峰a处磁异常显示的是在地下有圆柱形铁磁性材料，图中波峰b和波峰c处磁异常表示地下有不规则的铁磁性材料。

图3为新疆轮台古城磁梯度等值线图；图中可以看出位于图的右下方存在磁异常，此处磁梯度值较高，工作人员在此处进行了挖掘，此处发现了大量的动物牙齿，说明，此梯度仪精度较高，对考古工作具有一定的指导作用。

图4为图3中直线的磁梯度值图，图中可以看出磁梯度值在-1000—-1600nt，在a处出现了梯度高值，此处即位于图3中的磁异常区域内。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。